水质工程学1过滤

第六章过滤（filtration)主要内容：•概述•过滤理论•过滤工艺及设备过滤：借助于具有一定空隙率的固体介质阻挡截留水中杂质而使水得到澄清的工艺过程。一、过滤的分类•表层过滤：机械滤除，产水率低（孔隙的机械筛滤作用）•格筛过滤：介质为栅条或筛网，除去粗大的悬浮物，杂草、纤维等，格栅、筛网等•微孔过滤：滤布、滤片、烧结滤管等，用以除去粒径细微的颗粒•膜过滤：采用特别的半透膜作过滤介质在一定的推动力下进行过滤，滤膜孔隙极小，可以去除水中细菌、病毒、有机物和溶解性物质，——反渗透、超过滤、电渗析等•深层过滤：过滤介质为颗粒状滤料，如石英砂、无烟煤等，简称过滤,（利用滤料的粘附作用）。第一节概述格筛过滤以栅条/滤网为过滤介质，e.g.格栅、筛网、微滤机城市污水厂沉砂池入口处的细格栅水处理用筛网4过滤介质：滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等滤芯滤布微孔过滤：5膜过滤采用特别的半透膜作为过滤介质在一定压力或电场力等作用下进行过滤。反渗透超滤电渗析超过滤膜6采用颗粒状滤料，e.g.石英砂、无烟煤等。石英砂无烟煤深层过滤(简称过滤)滤料颗粒之间存在孔隙，原水穿过一定深度的滤层，水中的悬浮物即被截留。7·：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：1.过滤过程过滤过程··：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：1.过滤过程过滤过程··：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：过滤过程·1.过滤过程1.过滤过程·：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶··∶·∶·。∶：：。：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：··…。∶．…过·滤过程·∶·∶·∶·：∶·：1.过滤过程·：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：··…。∶．…过·滤过程·∶·∶·∶·：∶·：·：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：1.过滤过程过滤过程··：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：1.过滤过程过滤过程··：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：1.过滤过程过滤过程··：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：1.过滤过程过滤过程··：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：1.过滤过程过滤过程·2.反冲洗过程·：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：·…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：·：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：·…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：·：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：·…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：·：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：·…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：·：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：·…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：·：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：·…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：·：·：…···…·∶·：：：··：：··：·∶·：·：…∶．···…∶·∶·∶：：∶·。∶·：…。∶．···…∶：：。∶·。∶。·：。：…。∶。∶。·。·∶·∶·∶·。∶：：。·：··∶·∶·：∶：：∶∶·：·。∶·：·…。∶．···…∶·∶·∶·：∶·：二、截留的对象：细小颗粒、细小矾花、藻类、细菌及病毒。三、位置：在给水处理中，常用过滤处理沉淀或澄清池出水，使滤后出水浊度满足用水要求。沉淀池或澄清池之后。（出水仍有一定浊度)直接过滤。（原水浊度低，水质好）在废水处理中，过滤常作为吸附、离子交换、膜分离法等的预处理手段，也作为生化处理后的深度处理，使滤后出水达到回用要求。四、作用(给水)1、进一步降低水的浊度；2、同时水中有机物、细菌及病毒将随水的浊度降低而部分被去除。3、为滤后消毒创造了良好条件。（残留于滤后水中的细菌、病毒等失去浑浊物的保护和依附时，在滤后消毒过程中也将容易被杀灭。）五、滤池的种类(一)按滤速1、慢滤池2、快滤池0.01～0.4m/h8～10m/h3、高速滤池10～16m/h五、滤池的种类(二)按作用水头1、重力滤池4～5m2、压力滤池15～25m(三)按水流方向1、下向流滤池2、上向流滤池3、双向流滤池(四)按滤料组成1、单层滤池滤速8-10m/h2、双层滤池滤速10-14m/h3、多层滤池滤速18-20m/h慢滤池是最早出现的用于水处理的过滤设备，能有效地去除水的色度、嗅和味。由于慢滤池占地面积大、操作麻烦、寒冷季节时其表层容易冰冻，在城镇水厂中使用的慢滤池逐渐被快滤池所代替。最早在上海杨树浦水厂，共有39座，每池过滤面积1500m2，制水量12万m3/d。(1883年)慢滤池：依靠滤料表面滤膜去除杂质。滤速0.1～0.3m/h，生产率低，占地大,刮砂，洗砂工作量大；但出水水质好。慢滤池滤池发展史快滤池：滤速8m/h以上图17-1普通快滤池构造剖视图（箭头表示冲洗水流方向）1-进水总管；2-进水支管；3-清水支管；4-冲洗水支管；5-排水阀；6-浑水渠；7-滤料层；8-承托层；9-配水支管；10-配水干管；11-冲洗水总管；12-清水总管；13-冲洗排水槽；14-废水渠1013789541214311261快滤池1.构造排水槽排水渠清水管排水管冲洗水管进水管2.工作过程由过滤与反冲洗两部分组成。滤料的分布与水力筛分作用◆滤层由一种滤料组成时，其滤料的粒径是不均匀的，比如石英砂组成的滤层，其标准dmax=1.2mm、dmin=0.5mm，滤层厚度700mm。◆其在滤床中的分布：并不是均匀分布，而是上小下大。原因：水力筛分造成的。什么是水力筛分？反冲洗时上升水流的作用，滤料颗粒大小不一，它们顺着水流方向，由大到小排列，降落后组成的滤床自上而下：■滤料粒径由小到大；滤料孔隙率依次增大■此称水力筛分现象。反洗◆反洗又称反冲洗或冲洗：就是以较大的水流速度，从滤层底部进水，使滤料颗粒实现流态化，污泥随反洗水从顶部排出。◆滤料在悬浮状态下得以清洗，冲洗至滤料基本干净为止。◆反冲洗是过滤器的重要运行操作；反冲洗流速控制不当：可能产Th滤料流出，承托层错动和冲洗效果差(未冲洗干净)等问题。3.滤速（v）滤速相当于滤池负荷，即单位时间、单位过滤面积上的过滤水量，单位为m3/(m2.h)或m/h。v=Q/A•滤速越高，滤池的产水量越大(滤池占地面积越小)。•水在滤料中的实际流速v4.工作周期从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池的工作周期。从过滤开始到过滤结束称为过滤周期。滤池的工作周期为12~24h。3.4两个参数均会影响滤池的产水量。一.截留机理——主要为悬浮颗粒与滤料颗粒间的粘附作用。1．悬浮颗粒被截留的机理以简化的球形滤料单层砂滤池为例，假设砂滤料直径为0.5mm，以最紧密方式排列，滤料间孔隙直径约为80微米，而进入滤料的悬浮物尺寸大部分为2-10微米，这些杂质可被截留90%以上，而且在滤层深处（孔隙大于80微米）也会被截留。第二节过滤理论两阶段理论：由迁移与吸附组成。迁移：沉淀、扩散、惯性、阻截和水动力，见图17-2。沉淀（孔隙=沉淀池）惯性（惯性引起，使本身被“抛”到滤料表面）截阻（颗粒沿流线运动，最后与滤料表面接触）扩散（布朗运动扩散至表面）水流动力（非球形颗粒在速度梯度产Th转动）1—沉淀2—扩散3—惯性5—水动力流线滤料悬浮颗粒4—阻截•粘附作用是一种物理化学作用。当水中颗粒迁移到滤料表面时则在范德华引力和静电力相互作用下，以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力下，粘附于滤料颗粒表面上，或者粘附在滤料表面上原先粘附的颗粒上。此外，絮凝颗粒的架桥作用也会存在。粘附过程与澄清池中的泥渣所起的作用基本类似，不同的是滤料为固定介质，排列的紧密，效果好。•因此，粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质。未经脱稳的悬浮物颗粒，过滤效果很差，这就是证明。基于这一概念，过滤效果主要取决于颗粒表面的性质而无须增大颗粒尺寸。相反如果悬浮颗粒尺寸过大而形成机械筛滤作用，反而会引起表面滤料孔隙堵塞。2．吸附与剥离（1）Ives-Mints争论Ives：①附着于滤料之上的悬浮颗粒在过滤过程中绝对不剥离；②在过滤后期悬浮颗粒穿透滤层进入滤池出水是吸附效率降低的缘故。Mints：①吸附和剥离是过滤过程中同时存在的两个相反的现象，②剥离是悬浮颗粒穿透滤层进入滤池出水的原因。争论至目前的结果是Mints理论已取得了优势。（2）附着力与水流剪力见图17-3。悬浮颗粒与滤料颗粒之间受力➢粘附力：利于杂质颗粒被过滤水流➢剪切力：不利于杂质颗粒被过滤Fa1表示颗粒1与滤料表面